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香港理工大學李剛突破有機太陽能電池厚度限制達 14.75%

發(fā)表時間:2024/6/25 12:12:19

有機光伏電池(OSCs)以其輕薄、柔性、可印刷等優(yōu)勢,在過去幾年中吸引了廣泛的關(guān)注,被認為是下一代光伏技術(shù)的理想選擇。然而,OPVs 的效率和穩(wěn)定性仍然落后于傳統(tǒng)硅太陽能電池。

實現(xiàn)低成本和印刷友好的 OSCs 制備,需要采用具有簡單結(jié)構(gòu)的光活性分子的厚膜器件。因此,對于非稠合環(huán)受體材料,如何在較厚的器件中實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE),具有重大意義。

香港理工大學李剛教授團隊近期取得重大突破,他們利用順序沉積 (SD) 方法,成功將 D18:A4T-16 有機活性層的效率從傳統(tǒng)的混合澆注方法的 8.02% 提升至 14.75%,該器件厚度達到 300 納米。 這一研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Advanced Energy Materials》上。

【突破的關(guān)鍵:順序沉積 (SD) 方法】

傳統(tǒng)的混合澆注方法,將供體材料和受體材料溶解在一起,然后通過旋涂的方式制備活性層。這種方法會導致材料混合不均勻,形成無序的分子堆積,進而影響器件的效率。

李剛教授團隊創(chuàng)新性地採用了順序沉積 (SD) 方法。該方法首先將供體材料 (D18) 沉積在基底上,形成一層薄膜,然后在上面沉積受體材料 (A4T-16),最終形成具有良好分子排列的活性層。

SD 方法的優(yōu)勢:

l  有效促進供體和受體材料的互穿,改善形貌控制 SD 方法可以有效促進供體和受體材料的互穿,形成更理想的相分離結(jié)構(gòu),有利于激子的解離和電荷傳輸。

l  實現(xiàn)垂直分層結(jié)構(gòu): SD 方法可以實現(xiàn)供體材料和受體材料的垂直分層結(jié)構(gòu),這不僅有利于電荷的收集和傳輸,通過控制每一層的沉積,可以減少界面處的缺陷和不穩(wěn)定因素,可提高器件的穩(wěn)定性。

l  提高光電轉(zhuǎn)換效率:順序沉積方法能夠更好地控制有機層的厚度和形貌,從而優(yōu)化光的吸收和電荷的傳輸路徑。通過精確控制活性層材料的沉積,能夠有效減少載流子的復合,提升光電轉(zhuǎn)換效率。

l  材料選擇的靈活性:順序沉積允許使用不同溶劑和溫度條件,因而可以選擇更多樣化的材料組合。這使得研究人員能夠嘗試不同的材料體系,從而找到最佳的組合來提升電池性能。

l  便于規(guī)?;a(chǎn):該方法相較于傳統(tǒng)的濕法涂覆技術(shù),更加適合于大面積均勻膜的制備,有利于有機太陽能電池的規(guī)?;a(chǎn)。這對于實際應用中的生產(chǎn)成本控制和工藝一致性具有重要意義。

Enlitech 設備的重要性】

光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 太陽光模擬器和 QE-R 光伏/太陽能電池量子效率量測方案在該研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

i.       SS-X50 的高精度模擬太陽光譜,為研究人員提供了真實的測試環(huán)境,確保測試結(jié)果的可靠性。

ii.     QE-R 則可以幫助研究人員分析不同波長下器件的光電轉(zhuǎn)換效率,從而優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料選擇。

【突破性的成果】

i.       采用 SD 方法制備的 D18:A4T-16 器件,在 300 納米、500 納米和 800 納米厚度下都展現(xiàn)出 FoM-X 值,這表明該器件在較大厚度下也能保持良好的性能。

ii.      研究團隊定義了一個新的指標來強調(diào)厚膜器件的性能,稱為 "FoM-X"。該指標可以更好地評估非稠合環(huán)受體材料在厚膜器件中的性能,為該領域的研究提供了新的評價標準。

【未來展望】

鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)和有機太陽能電池(OSCs)各有優(yōu)勢和不足。PSCs具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率,但面臨穩(wěn)定性和環(huán)保方面的挑戰(zhàn);OSCs的制備簡單、成本低、環(huán)保性好,在空氣中的操作穩(wěn)定性較好,但效率較PSCs略低。未來的研究和發(fā)展將繼續(xù)在提高效率、穩(wěn)定性和降低成本方面進行優(yōu)化。

透過幾個面向來觀察未來可發(fā)展的優(yōu)化模式:

i.          開發(fā)新型材料: 于新型受體及高性能給體材料,從而提高光電轉(zhuǎn)換效率和更好穩(wěn)定性。

ii.           界面工程: 修飾界面層來減少界面處的缺陷和非輻射復合外,開發(fā)新的界面層材料,改善電荷傳輸和減少能量損失。

iii.           優(yōu)化制備工藝: 如李剛教授團隊的突破性順序沉積改進研究成果,並為其大面積化和穩(wěn)定性提升提供了有效策略。持續(xù)改進順序沉積工藝,如沉積條件、溶劑選擇、層厚控制等,以實現(xiàn)更好的形貌和性能。

iv.           封裝和穩(wěn)定性: 開發(fā)更有效的封裝技術(shù),防止水氧侵入,提高器件的長期穩(wěn)定性;及抗環(huán)境穩(wěn)定性材料,延長有機太陽能電池的使用壽命。

v.                多層結(jié)構(gòu)設計: 通過不同層的材料組合,進一步提升光吸收和電荷分離效率。另外,漸變結(jié)構(gòu),實現(xiàn)更有效的光捕獲和電荷傳輸。

vi.           結(jié)合智能化制造技術(shù): 利用噴墨打印、刮刀涂布等先進制造技術(shù),降低生產(chǎn)成本并提升制造精度。運用機器學習和人工智能技術(shù),優(yōu)化材料組合、工藝參數(shù)和器件設計。

【圖文解讀】

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Figure 3. 光伏效能:通過混合鑄造和 SD 工藝處理的 D18:A4T-16 系統(tǒng)的器件參數(shù)變化。


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Table 1. 器件效能

。

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Figure 6. a) eC9 的化學結(jié)構(gòu)。 b) J-V 曲線和 c) 基于 D18:A4T-16 和 D18:eC9 的 SD 型器件的 EQE 光譜。


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原文出處: ADVANCED ENERGY MATERIALS


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